Gastbeitrag: Dekarbonisierung der Fernwärme: Analyse von Best-Practice Beispielen europäischer Großstädte

Die Dekarbonisierung des Wärmesektors spielt für das Erreichen von Klimaneutralität eine zentrale Rolle – insbesondere Städte stehen dabei vor komplexen Herausforderungen.

Zur Identifikation innovativer Best-Practice Beispielen zur Dekarbonisierung des Wärmesektors in europäischen Großstädten hat das AIT im Auftrag der Abteilung Energieplanung der Stadt Wien (MA20) eine Studie durchgeführt.

Dafür wurden folgende Städte ausgewählt, die eine gewisse Vergleichbarkeit mit Wien hinsichtlich Größe, Klima, Fernwärmedurchdringung, Ambitionen und der Verfügbarkeit von Informationen aufweisen:

• München,
• Kopenhagen,
• Helsinki,
• Berlin,
• Turin,
• Stockholm,
• Amsterdam,
• Hamburg,
• Paris,
• Zürich.

 

Hierbei standen zwei Leitfragen im Mittelpunkt:

1. Welche Strategien zur Dekarbonisierung bestehender Fernwärmesysteme bzw.
2. welche Ansätze zum Ausbau bestehender Fernwärmenetze werden verfolgt?

 

Zur Beantwortung dieser Fragen wurden öffentlich verfügbare Informationen ausgewertet und mit Hilfe von Kontakten zu lokalen Stakeholder*innen ergänzt. Die Arbeiten wurden von Vertreter*innen der Stadt Wien, Wiener Stadtwerke, Wien Energie und UIV Urban Innovation Vienna, die Klima- und Innovationsagentur Wien, begleitet. Die Ergebnisse der Analysen wurden in Städteprofilen umfassend dokumentiert und systematisch aufbereitet sowie die wesentlichen Erfolgsfaktoren zusammengefasst.

In diesem Beitrag werden die Erkenntnisse bezüglich der Dekarbonisierung bestehender Fernwärmenetze fokussiert.

Der Ausbau der Fernwärmesysteme in den untersuchten Städten variiert stark, von nordischen Städten wie Kopenhagen, Helsinki und Stockholm, mit teilweise weit über 80 Prozent Anschlussgrad, bis hin zu Amsterdam, mit einem 11 Prozent Anschlussgrad. Diese Unterschiede basieren auf Faktoren wie beispielsweise den Anschlusspflichten in Dänemark oder der Konkurrenz durch Erdgas.

Gleichzeitig ist die Fernwärme-Erzeugung aktuell nahezu vollständig verbrennungsbasiert; nennenswerte Ausnahmen mit Anteilen im Bereich von rund 10 Prozent bilden München (Geothermie), Helsinki und Stockholm (Großwärmepumpen). Die wichtigsten Brennstoffe sind Erdgas und Müllverbrennung. In Helsinki, Paris, Zürich, Kopenhagen und Stockholm werden relevante Mengen biogener Brennstoffe eingesetzt. Alle untersuchten Städte nutzen Abwärme aus der Müllverbrennung.

Die Fernwärmenetz-Temperaturen sind überwiegend hoch, teilweise sind die Systeme dampfbasiert. Fernkälte wird in allen untersuchten Städten hauptsächlich für gewerbliche Kund*innen angeboten.

Im Detail lassen sich folgende Schlussfolgerungen für die wesentlichen Wärmeerzeugungs-Technologien der Zukunft zusammenfassen:

• Großwärmepumpen spielen eine wesentliche Rolle, insbesondere in nordischen Städten. Szenarien für den Großraum Kopenhagen zeigen, dass diese über die Hälfte der Wärmeerzeugung abdecken könnten.
• Elektrifizierung und Sektorenkopplung: Neben Großwärmepumpen kommen Elektrodirektheizungen zum Einsatz, die das Stromnetz stabilisieren und Spitzenlasten decken. Die Stromerzeugung aus Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-)Anlagen wird zurückgehen, was einen entsprechenden Ausbau erneuerbarer Stromerzeugung und des Stromnetzes bedingt.
• Geothermie spielt speziell in Städten ohne Zugang zu großen Wasserkörpern eine Rolle, insbesondere in München, wo bereits langjährige Erfahrung besteht. Andere Städte sondieren derzeit die lokalen Potenziale. In Berlin wurde ein rechtlicher Rahmen für die Nutzung der Geothermie geschaffen.
• Weitere relevante Wärmequellen sind vor allem Abwärme von Rechenzentren, die in Stockholm eine große Rolle spielen kann, und Abwärme aus Carbon Capture and Storage (CCS) - oder Power-to-X (PtX-) Prozessen; letztere wird im Großraum Kopenhagen analysiert.

Allen untersuchten Städten ist gemein, dass voraussichtlich gewisse Anteile an Verbrennungsprozessen auch in einer vollständig dekarbonisierten Fernwärmeerzeugung erhalten bleiben werden:

• Müllverbrennung wird in den meisten Städten voraussichtlich eine bleibende oder sogar steigende Rolle spielen (z.B. in Zürich). Städte wie Kopenhagen zeigen, dass eine signifikante Reduktion des Anteils der Müllverbrennung an der Fernwärmeerzeugung möglich ist.
• Biomasse spielt eine unterschiedliche Rolle. Je nach lokalem Kontext und Verfügbarkeit soll sie als wichtigster erneuerbarer Energieträger in der Fernwärmeversorgung weiter ausgebaut werden (z.B. in Zürich, Berlin und Paris), oder sie wird als Übergangslösung gesehen ( etwa in Kopenhagen und Helsinki).
• Erdgas/Wasserstoff: Erdgas gilt oft als Brückentechnologie zur Umstellung auf Wasserstoff. In einigen Fällen sollen bestehende großtechnische KWK-Anlagen künftig für den Einsatz von Wasserstoff umgerüstet werden. Der umfassende Einsatz von Wasserstoff hängt jedoch von seiner nachhaltigen und wirtschaftlichen Verfügbarkeit ab.

Um die Integration der genannten Wärmequellen in die Fernwärmenetze der untersuchten Städte zu unterstützen bzw. zu ermöglichen, sind folgende Begleitmaßnahmen wesentlich:

• Speicher und Flexibilität: Eine signifikante Erhöhung der Speicherkapazitäten ist in vielen Fällen wirtschaftlich darstellbar (um das 3- bis 6-fache im Vergleich zu heute), bzw. angekündigt und geplant, bis hin zu saisonalen Speicherkapazitäten in Helsinki.
• Digitalisierung wird als Enabler für die Optimierung des Netzbetriebs gesehen. Dies inkludiert die Betriebsüberwachung, intelligente Steuerungen und das Lastmanagement wie beispielsweise in Stockholm oder Helsinki.
• CCS ist bei der Müllverbrennung aufgrund des fossilen Anteils des Mülls für das Erreichen der Klimaneutralität wesentlich. In Stockholm ist der Bau der weltweit größten CCS-Anlage bei der Biomasse-KWK geplant, was teilweise kontrovers diskutiert wird.
• Niedrige Netztemperaturen gelten als Schlüsselkomponente für die Dekarbonisierung der Fernwärme. Entsprechend sollen Dampfnetze auf Heißwassersysteme umgestellt werden und lokale Niedertemperaturbereiche geschaffen werden.

Neben den genannten technischen Maßnahmen sind folgende Faktoren zu erwähnen:

• Wirtschaftlichkeit und Fernwärmepreise: Die Dekarbonisierung der Fernwärme bedarf umfassender Investitionen; hinzu kommen sinkende Erlöse aus dem Stromverkauf und steigende Kosten für den Energiebezug, sodass die Kosten der Fernwärme tendenziell steigen werden. Für den Kostenvergleich mit dezentralen Wärmeversorgungsoptionen müssen Maßnahmen zur Dekarbonisierung, die langfristige Stilllegung des Erdgasverteilnetzes und die Rolle des CO₂-Preises (ETS2) berücksichtigt werden.
• Rechtliche Rahmenbedingungen zur Integration bzw. für den Drittzugang von Abwärme sind derzeit kaum existent. Im Regelfall bedarf es einer bilateralen Vereinbarung. Marktwirtschaftliche Ansätze werden in Stockholm und Kopenhagen verfolgt. In Berlin werden Bestimmungen für die Einspeisung erneuerbarer Wärme durch Drittanbieter erlassen, wofür zudem eine Regulierungsbehörde eingerichtet wurde.

Zwei generelle Erkenntnisse lassen sich aus der Analyse der Dekarbonisierungs-Strategien der Fernwärme in den betrachteten Städten ableiten:

Die wesentliche Rolle von Großwärmepumpen sowie die bleibende Rolle von Verbrennungsprozessen (vor allem Müllverbrennung), wenn auch mit unterschiedlichen Anteilen. Die Nutzung weiterer Wärmequellen, wie Geothermie und Abwärme, hängt von den lokalen Potenzialen ab. Unterschiede bestehen auch in der Wahl weiterer Brennstoffe, wie Wasserstoff und Biomasse. Alle Städte zeigen, dass Speicher, Digitalisierung, CCS und niedrige Netztemperaturen wichtige Enabler für die Integration der genannten Wärmequellen sind.

*Die Inhalte dieses Gastbeitrages sind aus den Erkenntnissen der von der Abteilung Energieplanung der Stadt Wien beauftragten Studie „Dekarbonisierung des Wärmesektors“ entstanden. Die Quellen und Verweise sind in der Studie referenziert.